闸门伸缩杆水下防水改造及限位改装技术
姓名：苗则普
单位：安徽理工大学
摘要：电动伸缩杆被广泛应用于各种工艺流程中，但是电动伸缩杆防水性能普遍不佳，难以用于水下环境，限制了其使用范围。本文介绍了水下闸门与电动伸缩杆的相关特点，针对大型试验水槽中的闸门启闭伸缩杆防水性能不佳的缺点，对电动伸缩杆进行了多次改装与调试，通过反复试验，掌握了闸门水下伸缩杆防水改造技术和限位开关改装技术，实现了普通电动伸缩杆在水中长时间正常工作的目标，该闸门伸缩杆水下防水改造技术和限位开关改装技术对促进伸缩杆的生产工艺创新拓展应用范围具有重要意义。
关键词：闸门、伸缩杆、防水、限位改装、创新
一、闸门概述与电动伸缩杆简介
1.闸门概述
闸门是用于关闭和开放泄水通道的控制装置，是水工建筑物中重要的组成，用于实现拦截水流，控制水位、调节流量、控制航运、排放泥沙和漂浮物等功能。
1.1组成
闸门主要由主体活动部分、埋固部分、启闭设备三个部分组成，主体活动部分用以封闭或开放孔口，通称闸门，亦称门叶。活动部分包括面板梁系等承重结构、支承行走部件、导向及止水装置和吊耳等。埋固部分包括主轨、导轨、铰座、门楣、底槛、止水座等，它们埋设在孔口周边，用锚筋与水工建筑物的混凝土牢固连接，分别形成门叶上部支撑部件及止水面，以便将门叶结构所承受的水压力等荷载传递给水工建筑物，从而获得良好的闸门止水性能。启闭机械与门叶吊耳连接，以操作控制活动部分的位置，但也有少数闸门借助水力。进行闸门形式选择时，需要根据闸门工作性质、设置位置、运行条件、闸孔跨度、启闭力和工程造价等。
1.2分类
闸门按制作材料的不同可以划分为：木质闸门、木面板钢构架闸门、铸铁闸门、钢筋混凝土闸门以及钢闸门等；按闸门门顶与水平面相对位置的不同可以划分为：露顶式闸门和潜没式闸门等；按闸门的工作性质可以划分为：工作闸门、事故闸门和检修闸门等；按闸门启闭方法的不同可以划分为：机械操作启闭的闸门和利用水位涨落时闸门所受水压力的变化控制启闭的水力自动闸门等；按门叶支撑形式的不同可以划分为：定轮支承闸门、铰支承闸门、滑道支承的闸门、链轮闸门、串辊闸门、圆辊闸门等。
在水利工程中，平面闸门和弧形闸门是最常采用的闸门类型。大、中型露顶式和潜没式的工作闸门大多采用弧形闸门，尤其是高水头深孔工作闸门多选用弧形闸门。当用作事故闸门和检修闸门时，大多采用平面闸门。工作闸门前通常设置检修闸门和事故闸门。对高水头泄水工作闸门由于经常作动水操作或局部开启操作，应设法减少闸门振动和空蚀现象，改善闸门水力条件，按不同的部件考虑动力的影响。对门叶和埋件的制造、安装精度都应严格控制，当门槽边界流态复杂或体形特殊时，除需参考已有运行的成功试验，还应通过水工模型试验解决可能发生的振动、空蚀等问题，以选定合适的门槽体形。
2.电动伸缩杆简介
电动伸缩杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置。
2.1组成
电动伸缩杆主要由驱动电机、减速齿轮、螺杆、螺母、导套、推杆、滑座、弹簧、外壳及涡轮、微动控制开关等组成。电动伸缩杆作为执行机械使用，是实现远距离控制、集中控制或自动控制的有效装置，已经广泛应用于各种简单或复杂的工艺流程中。
2.2工作原理
电动机经齿轮减速后，带动一对丝杆螺母。把电机的旋转运动转变成直线运动，利用电动机正反转即可完成推杆的伸缩动作。另外，通过各种杠杆、摇杆或连杆等机构可完成转动、摇动等复杂动作。通过改变杠杆力臂的长度，可以增大行程。
伸缩杆之所以能够顶升重物，是因为它底端装有电机和齿轮，接入电源后，电机快速转动，经两级齿轮减速后，输出低速大扭矩，从而顶起重量较大的重物。
2.3行程控制装置
蜗轮蜗杆传动形式:电机齿轮上的蜗杆带动蜗轮转动，使蜗轮内的小丝杆作轴向移动，由连接板带动限位杆进行轴向移动，从而推动闸门上下移动。蜗杆传动具有自锁性，可使闸门停在任意高度上，而不会因自重落下。当所需行程时，通过调节限位块下压行程开关进行断电，电动机停止运转(正反控制相同)。
齿轮传动形式：电机通过减速齿轮后带动安装于内管的小丝杆，从而带动与之连接一起的螺母做轴向运行。当达到所设定的行程时，螺母触角压住限位开关断开电源，电机停止运动(反向与之相同)。
电动伸缩杆是一种新型的电动执行机构，可以使伸缩杆在一定范围行程内作往返运动。一般电动推杆标准行程有100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm以及400mm。可以根据不同的应用负荷而设计不同推力的电动伸缩杆，一般其最大推力可达6000N，空载运行速度为4mm-35mm/s,电动伸缩杆以24V/12V直流永磁电机作为动力源，把电机的旋转运动通过丝杠转化为直线往复运动。
电动伸缩杆作为执行机构不仅可减少采用气动执行机构所需的气源装置和辅助设备，还大大降低了执行机构的重量。因而适用于远距离操纵而广泛用于电力、化工、冶金、矿山、轻工、交通、船舶等部门的风门、阀门、闸门等机构的启闭、物料装卸、流量控制等各个方面。现在，越来越多的部门用电动伸缩杆这种电动执行机构来代替、液压阀、减速传动机构等传统设备，大大提升了工作效率。
二、水下防水改造
1问题
笔者在安徽理工大学承担了大型实验水槽主体框架的焊接和组装工作，实验水槽中应用到多级闸门控制水流运动过程，为了避免传统闸门由上而下关闭过程产生的闸下水跃现象，本项目要求闸门从水下闸室由下而上拦截水流，并且要求伸缩杆安装在闸门底部，避免伸缩杆对水面产生影响，这就需要电动伸缩杆能够在水下进行正常稳定的工作。然而，目前市面上的电动伸缩杆防水性能普遍不佳，难以满足本文工作中的要求。
基于以上问题，笔者想到了采用密封的结构实现电动伸缩杆防水的目的，但是一般单密封仅仅适用于旋转的装置，在本装置中，电动伸缩杆需要进行不断地伸缩移动。在对电动伸缩杆进行单密封防水措施伸缩移动的多次测试时，发现当伸缩杆上下伸缩时会出现偏离中心轴的情况，造成单密封的密封效果不佳，无法满足电动伸缩杆的防水要求。经过反复的试验与改进，设计了电动伸缩杆的双密封防水方案。
2改造
双密封防水方案的实施有一个重要前提，就是电动伸缩杆的推杆要有较高的同轴度精度和表面粗糙精度要求，如果达不到这两点要求则无法使用双密封方法。
电动伸缩杆被固定在水下，其周围由方钢管围绕，方钢管下端设有钢板底座，方钢管与钢板底座焊接为一体，将电动伸缩杆的电源线从钢板底座引出，并使用结构胶将电源线与钢板底座密封，避免进水受潮，损害电源线路。最为关键且棘手的就是方钢管上端的防水问题，首先采用单密封进行防水处理，但是单密封防水在使用中不能达到理想的防水效果，无法满足实验所需条件。之后，经过多次的试验与测试，方钢管上端的防水问题决定采用自制的上下钢板圈、水封座和双密封防水措施来解决，双密封嵌在自制的水封座内，下钢板圈焊接在方钢管的上端口，水封座焊接固定在上钢板圈下侧，水封座套上橡胶密封圈后，将已经置于方钢管中的电动伸缩杆的推杆缓慢穿入双密封和水封座中，然后用螺栓把上下钢板圈固定在一起，上钢板圈与下钢板圈之间的橡胶密封圈起得防水作用。水封座、双密封和推杆的双密封防水结构如图1所示
图1水封座、双密封和推杆的双密封防水结构示意图
防水具体的改造措施为：将两个密封背靠背镶嵌在自制的水封座中。水封座的材料为圆钢，在车床上按密封内径尺寸沿圆钢轴线加工出伸缩杆的推杆所需通道，并按密封外径和高度在圆钢上下端沿轴线加工镶嵌密封所需的孔口，采用封缸胶将两个密封背靠背镶嵌固定在加工的孔口中。
该措施克服了单密封密封效果不佳的问题，使得伸缩杆在升降过程中不会因为大幅度偏离中心轴而导致防水效果下降的问题。双密封方法顺利解决了密封问题，防止了因内部电机等受潮引起的设备损坏。
改造过程中的闸门与伸缩杆的结构如图2所示。闸门为拱形，闸门左右两端置于闸室侧面的闸门升降轨道内。伸缩杆已经安装在方钢管中，方钢管底部焊接有钢板底座，钢板底座固定在闸室底面，方钢管上端口焊接着下钢板圈，下钢板圈上设有橡胶密封圈，双密封嵌在自制的水封座内，水封座焊接固定在上钢板圈下侧，上密封、水封座、下密封依次套入到伸缩杆的推杆上，伸缩杆在底部电机的动力作用下通过螺杆旋转实现在伸缩杆套管中上下升降运动。由于双密封相较于单密封对于伸缩杆的约束作用明显加大，能将伸缩杆上下伸缩时偏离中心轴的距离控制在极小的范围，大大提高了密封效果。
图2 改造过程中的闸门与伸缩杆
通过双密封防水方案改造后的伸缩杆在长时间试验过程中，没有发现漏水和烧坏螺杆驱动电机的故障，该方案极大地提高了安徽理工大学大型实验水槽中多级闸门水中自由启闭的可操作性和灵活性，成功地实现了闸门的水下启闭作业，获得大型自制实验仪器验收专家的肯定和好评。
三、伸缩杆限位开关改装
1问题
伸缩杆在双密封防水改造过程中，为了在伸缩杆的推杆顶部增加双密封和水封座，同时考虑伸缩杆顶部与闸门连接的需求，需要对原装伸缩杆的限位开关进行改装。
为了避免闸门从水面向下闭合时产生闸下水跃现象，实验水槽要求采用水下电动伸缩杆的升降来启动闸门。这对电动伸缩杆的防水和结构提出了极高要求，在上述解决防水的过程中，水封座和上下钢板圈的厚度占用了推杆的伸缩空间，导致电动伸缩杆在下降过程中无法实现原始的行程。
实验中电动伸缩杆推杆直径为25mm，因此防水改造时采用内径为25mm、外径为40mm的密封，该密封的高度约为15mm左右，双密封的总高度为30mm左右，为了使密封嵌入水封座，水封座的高度至少需要40mm（包括密封橡胶圈厚度约5mm）。所以，为了运用双密封防水措施，需要伸缩杆的推杆初始伸出长度为50mm。但是，市面上出售的电动伸缩杆的初始伸出长度仅有20mm左右，无法满足双密封防水设施的安装要求。为了将电动伸缩杆的初始伸出长度调整为50mm，需要对电动伸缩杆进行改装，即对电动伸缩杆内部的下限位开关进行移位改造，从而达到双密封防水的使用要求。
2改装
对于这个问题，为了使电动伸缩杆的推杆在下降过程提前结束行程，满足实验需要，最后决定拆卸原装的电动伸缩杆，研究伸缩杆的内部结构。通过研究发现推杆升降动作是通过蜗轮蜗杆传动完成的，所需行程通过上限位开关、下限位开关和行程调节块触碰控制。经过苦思冥想，在比较各种解决方案后，决定调节下限位开关的位置，以此来满足双密封防水的使用要求。
具体的改造方法为：将电动伸缩杆内处在底端的下限位开关位置向上移动30mm，即电动伸缩杆下降时少向下移动30mm的距离，从而将初始伸出长度调整为50mm。在下限位开关的移动过程中又出现了一系列需要解决的问题。最为突出的就是在调整了限位开关位置之后，电动伸缩杆上下移动时就有可能无法与下限位开关触点进行稳定接触，这样的话，伸缩杆就将一直向下移动，直到电线断裂，导致设备损坏。经过多次的调试，最终找到了下限位开关的最佳触点位置，顺利解决这一问题。与此同时，调节了下限位开关位置后，原来的电线长短就不能满足要求了，所以重新布设了电线，并对其进行了固定与保护。
四、结语
针对大型实验水槽水下闸门装备工作中遇到的电动伸缩杆防水性能不佳的问题，根据设备正常运行的要求与设备自身的工作原理，凭借丰富的工作经验和反复的试验与调试，对已有的电动伸缩杆进行了成功的防水改造和限位开关的改装。
在防水改造过程中，提出了采用两个普通密封和自制水封座增加密封性能实现防水的技术，并将电动伸缩杆固定在方钢管中，方钢管下端通过与钢板底座焊接密封，方钢管上端口焊接着下钢板圈，下钢板圈上设有橡胶密封圈，双密封通过封缸胶粘嵌在自制的水封座内，水封座焊接固定在上钢板圈下侧，上密封、水封座、下密封一起套入伸缩杆的推杆上，下钢板圈和上钢板圈通过橡胶密封圈和多个螺栓固定密封，从而实现了整个电动伸缩杆的防水目的。
在限位开关的改装过程中，通过研究伸缩杆的内部结构发现推杆升降动作是通过蜗轮蜗杆传动完成，升降行程是通过上限位开关、下限位开关和行程调节块触碰控制。通过上移下限位开关的位置、重新布置线路实现了控制推杆返回行程的目的。
通过电动伸缩杆的防水改造和限位开关的改装研究，掌握了闸门水下伸缩杆防水改造技术和限位开关改装技术，实现了普通电动伸缩杆在水中长时间正常工作的目的。在这个改进过程中不仅熟悉了电动伸缩杆的工作特点与工作原理，而且通过实践活动实现多次创新，将传统油封技术成功地运用到了水封作业中，提升了水下闸门安全作业的技术水平。伸缩杆水下防水改造技术和限位开关改装技术对促进伸缩杆的生产工艺创新、扩大伸缩杆的应用领域具有重要意义。
参考文献
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